【unity shader】高级光照 --- 薄膜干涉

-光照模型是shader编程的核心与基础。一般的光照模型–不管是lambert还是phong–其实都是对现实光照的模拟。

但是现实中的光照效果要复杂得多。但就光的反射而言， 薄膜干涉就是一种非常常见的高级光照效果。

什么是薄膜干涉？

薄膜干涉的常见例子可以是阳光下的肥皂泡, 又或者是一张光盘

关于薄膜干涉的原理，可以参考wiki上的介绍【https://en.wikipedia.org/wiki/Thin-film_interference】

如图所示，光线进入薄膜时，在薄膜的上下表面均产生反射，由于反射光线走过的路径不同，就产生了一个光程差。一般，当光程差正好等于光线波长的整数倍时候，反射光线就彼此增强，当光程差等于波长的整数倍又半波长时，光线就彼此抵消。

光程差与波长有关，又与光线的入射角度相关，所以我们就看到了阳光下的肥皂泡呈现出红绿蓝的光谱，并且随着观察角度的不同而不断变化。

薄膜干涉的shader编程

利用Ramp贴图模拟薄膜干涉效果

薄膜干涉的shader模拟，在NVIDIA的网站教程中有一个范例。对一艘外星UFO施以薄膜干涉，效果是这样滴。

网上有人将这个demo转到了unity shader中，画风有些不一样了。

具体差异从何而来先不管，这个shader的实现原理就是计算光程差，以此为坐标对一副Ramp贴图采样，从而模拟光谱效果。实际观感还有赖于其他手段优化。

完整的shader代码如下：

Shader "thinfilm2" {Properties {_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}_Ramp ("Shading Ramp", 2D) = "gray" {}_SurfColor ("Specular Color", Color) = (0.5, 0.5, 0.5, 1) _SpecExpon ("Spec Power", Range (0, 125)) = 12_FilmDepth ("Film Depth", Range (0, 1)) = 0.05}SubShader {Tags { "RenderType" = "Opaque" }CGPROGRAM#pragma surface surf Rampsampler2D _Ramp;float _SurfColor;float _SpecExpon;float _FilmDepth;half4 LightingRamp (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten) {half3 Hn = normalize (lightDir + viewDir);half ndl = dot (s.Normal, lightDir);half ndh = dot (s.Normal, Hn);half ndv = dot (s.Normal, viewDir);float3 diff = max(0,ndl).xxx;float nh = max (0, ndh);float3 spec = pow (nh, _SpecExpon).xxx;//*viewdepth即光程差，这里用光在薄膜中行程长度近似。*float viewdepth = _FilmDepth/ndv*2.0;half3 ramp = tex2D (_Ramp, viewdepth.xx).rgb;half4 c;c.rgb = (s.Albedo*_SurfColor * diff + ramp * spec) *(atten);c.a = s.Alpha;return c;}struct Input {float2 uv_MainTex;half3 viewDir;};sampler2D _MainTex;void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {o.Albedo = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb;}ENDCG}Fallback "Diffuse"}

模拟光程差公式
薄膜干涉的光程差公式很简单，已知光的波长，折射率以及薄膜厚度，即可求解。
当光程差等于波长的整数倍又半波长时，反射加强；

当光程差等于半波长的整数倍，反射抵消。

我们利用三角函数来实现反射的周期特性，同时针对红绿蓝光设定不同的波长和折射率，这样就模拟出了一个实时的薄膜干涉效果

相应的shader代码如下:

Shader "Unlit/thinfilm_Unlit_IOR"
{Properties{_MainTex("Texture", 2D) = "white" {}_FilmDepth("film thickness", Range(1, 2000)) = 500.0_IOR("refraction index", Vector) = (0.9, 1.0, 1.1, 1.0)}SubShader{Tags{ "RenderType" = "Opaque" }LOD 100Pass{CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag// make fog work
#pragma multi_compile_fog#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float4 normal: NORMAL;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f{float3 worldNormal : TEXCOORD0;float3 worldPos : TEXCOORD1;float2 uv : TEXCOORD2;UNITY_FOG_COORDS(1)float4 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;Vector _IOR;fixed thinFilmReflectance(fixed cosI, float lambda, float thickness, float IOR){float PI = 3.1415926;fixed sin2R = saturate((1 - pow(cosI, 2)) / pow(IOR,2));fixed cosR = sqrt(1 - sin2R);float phi = 2.0*IOR*thickness*cosR / lambda + 0.5; //计算光程差fixed reflectionRatio = 1 - pow(cos(phi * PI*2.0)*0.5+0.5, 1.0);  //反射系数fixed  refRatio_min = pow((1 - IOR) / (1 + IOR), 2.0);reflectionRatio = refRatio_min + (1.0 - refRatio_min) * reflectionRatio;return reflectionRatio;}v2f vert(appdata v){v2f o;o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);// Transform the normal fram object space to world spaceo.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);// Transform the vertex from object spacet to world spaceo.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);return o;}float _FilmDepth;fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);// Get the view direction in world spacefixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);// Get the reflect direction in world spacefixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));fixed3 H = normalize(viewDir + worldLightDir);fixed ndl = max(0,dot(worldNormal, worldLightDir));fixed hdn = dot(worldNormal, H);//fixed ndv = max(0, dot(worldNormal, viewDir));fixed rdv = max(0, dot(reflectDir, viewDir));// sample the texturefixed4 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv);fixed ref_red = thinFilmReflectance(hdn, 650.0, _FilmDepth, _IOR.r); //红光fixed ref_green = thinFilmReflectance(hdn, 510.0, _FilmDepth, _IOR.g); //绿光fixed ref_blue = thinFilmReflectance(hdn, 470.0, _FilmDepth, _IOR.b); //蓝光fixed4 tfi_rgb = fixed4(ref_red, ref_green, ref_blue, 1.0);fixed4 col = albedo*tfi_rgb*ndl*0.35 +tfi_rgb * pow(rdv, 25.);col.a = 1.0;// apply fog//UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);return col;}ENDCG}}
}

fresnel(菲涅尔)方程计算法
菲涅尔方程（wiki），这个比较高端了，是光学中的经典公式，用于描述光（或者一切电磁波）在不同介质表面的折射反射。因此用菲涅尔方程不仅能模拟光的薄膜干涉，还能模拟包括色散等更复杂的光学效应。关于菲涅尔方程的编程，完全参照网上一篇博文。最终的实现效果也很真实，而且还自带了很漂亮的rim light。

参考阅读

【1】